公告信息：
水稻養育人類(lèi)萬(wàn)年，是當今世界過(guò)半人口的主食。水稻種植凝聚著(zhù)人類(lèi)的心血與智慧。國際水稻研究所等機構推動(dòng)“第一次綠色革命”，中國育種學(xué)家探索雜交育種，都曾為水稻“高產(chǎn)、穩產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效”作出巨大貢獻，成果惠及亞非17個(gè)國家的幾千萬(wàn)稻農。
基因技術(shù)為水稻加速“升級換代”奠定了基礎。1998年,多國科學(xué)家啟動(dòng)了國際水稻基因組測序計劃，2004年繪制完成水稻基因組序列全圖，并相繼在技術(shù)平臺、重測序、功能基因的克隆和調控網(wǎng)絡(luò )解析方面取得系列重要成果。近年來(lái)，隨著(zhù)高通量、高精度基因測序技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以一次并行對幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條DNA分子進(jìn)行序列測定，并從中篩選出有價(jià)值的信息。水稻從傳統“經(jīng)驗育種”向現代“精確育種”躍升，設計“未來(lái)水稻”成為可能。
從常規育種到分子設計育種
以基因技術(shù)為核心的分子設計育種，讓水稻育種周期更短、更有針對性，代表了水稻育種的發(fā)展方向
何為“未來(lái)水稻”？這得從水稻育種說(shuō)起。長(cháng)期以來(lái)，水稻育種主要利用常規育種技術(shù)，選用兩個(gè)在遺傳上有一定差異、性狀又能互補的水稻品種進(jìn)行雜交，在后續世代連續選擇符合育種目標的品系，或直接選擇具有明顯優(yōu)勢的第一代雜交種用于農業(yè)種植。
雜交品種常常比他們的親株單產(chǎn)更高、更耐寒、抗倒伏性更強。這種“雜種優(yōu)勢”在農業(yè)中很普遍，在水稻種植中尤為明顯。過(guò)去幾十年間，常規育種技術(shù)的進(jìn)步顯著(zhù)增加了水稻產(chǎn)量，彰顯“雜種優(yōu)勢”的應用價(jià)值。“雜交水稻之父”袁隆平院士近年來(lái)相繼推出“Y兩優(yōu)900”“超優(yōu)千號”等“超級雜交稻”品種，不斷刷新單產(chǎn)紀錄，畝產(chǎn)已經(jīng)突破1000公斤。
“雜種優(yōu)勢”由水稻的基因決定，一項分析顯示，與能量代謝和傳輸相關(guān)的基因在高產(chǎn)雜交稻品種LYP9中特別活躍，說(shuō)明這些基因可能在“雜種優(yōu)勢”的研究中特別重要。
水稻的基因有著(zhù)豐富的多樣性和復雜的作用機制——在不同水肥條件和氣候環(huán)境種植同樣品種的水稻，長(cháng)出來(lái)的稻子從外觀(guān)到產(chǎn)量可能相去甚遠。多年來(lái)，科學(xué)家開(kāi)展廣泛國際合作，目的就是闡明水稻基因組所有基因的功能及重要農業(yè)性狀等位基因的功能多樣性,并將研究成果運用到水稻遺傳改良中。
用基因技術(shù)改變水稻育種方式，有更多的現實(shí)考量。統計數據顯示，受全球人口增長(cháng)和可耕地總面積減少的影響，未來(lái)20年，水稻產(chǎn)量必須成倍增長(cháng)才能滿(mǎn)足全球需求。以基因技術(shù)為核心的分子設計育種，讓水稻育種周期更短、更有針對性，代表了水稻育種的發(fā)展方向。
除豐產(chǎn)性之外，抗病性、優(yōu)質(zhì)性、廣適性等特性也是水稻育種學(xué)家們不懈追求的目標。在分子育種時(shí)代，科學(xué)家可通過(guò)研究、設計不同農藝性狀的基因，來(lái)改善水稻植株，培育出“超級稻”的升級版——“未來(lái)水稻”。在“超級稻”的基礎上，“未來(lái)水稻”還將具備高營(yíng)養、多功能等特點(diǎn)，稻米食用者將有更多細分化、個(gè)性化的選擇方案。
基因組數據平臺免費開(kāi)放
3000份水稻核心種質(zhì)基因組原始測序數據的開(kāi)放，為相關(guān)研究提供了龐大的數據庫，有助于突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，全面提升我國乃至全球水稻基因組研究和分子育種水平
在2017年國家自然科學(xué)基金委員會(huì )與國際水稻研究所聯(lián)合研討會(huì )上，多名科學(xué)家就分子設計育種技術(shù)、水稻種質(zhì)基因組測序數據的利用等主題作了報告。中國農業(yè)科學(xué)院深圳農業(yè)基因組研究所研究員徐建龍在交流中稱(chēng)，他們從3000份測序的水稻核心種質(zhì)中挖掘抗旱性和耐低氮能力強的親本，通過(guò)基因定位、基因聚合、標記追蹤等技術(shù)，初步篩選出抗旱性與耐低氮聚合于一體的品種，為水稻抗逆育種創(chuàng )制了中間材料。
這3000份已測序的水稻核心種質(zhì)基因組，來(lái)自由中國農業(yè)科學(xué)院、國際水稻研究所和華大基因共同完成的“3000份水稻基因組”項目成果。這是迄今為止全世界最大的植物基因組測序項目，包括來(lái)源于中國的500份代表性材料，以及國際水稻研究所收集的來(lái)源于89個(gè)國家的2500份材料，代表了全球25萬(wàn)份水稻種質(zhì)基因的多樣性。這些材料的基因組序列等信息，通過(guò)國際水稻信息學(xué)聯(lián)盟和“云之稻”平臺免費向國內外研究者開(kāi)放。
中國科學(xué)院院士、水稻分子育種專(zhuān)家李家洋認為，“3000份水稻核心種質(zhì)基因組原始測序數據的開(kāi)放，為水稻基因組研究提供了龐大的數據庫，有助于突破水稻復雜性狀分子改良的技術(shù)瓶頸，全面提升我國乃至全球水稻基因組研究和分子育種水平”。
基因組測序數據庫相當于為研發(fā)服務(wù)的標準化公共基礎設施。未來(lái)，更多領(lǐng)域、更深入、更精細的基因重測序，將圍繞具體水稻科研項目持續展開(kāi)。
人工智能為研發(fā)提速
定向設計水稻品種可又好又快地實(shí)現新品種培育，還能為米飯在“主食”之外增加“營(yíng)養品”的身份……高新科技對整個(gè)農業(yè)產(chǎn)業(yè)的顛覆式改造將指日可待
不久前，一項歷時(shí)16年的科研深耕結出碩果。李家洋和中國農業(yè)科學(xué)院深圳農業(yè)基因組研究所所長(cháng)錢(qián)前帶領(lǐng)的團隊利用基因技術(shù)對水稻進(jìn)行分子標記設計育種，培育出“既有南方秈稻產(chǎn)量，又有北方粳稻品質(zhì)”的秈粳稻雜交新品種。
分子設計育種已經(jīng)讓水稻實(shí)現高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)得兼。錢(qián)前認為，定向設計水稻品種可又好又快地實(shí)現新品種培育，能夠大規模增加水稻品種。“大米口感好不好主要取決于兩個(gè)基因。弄明白這一點(diǎn),我們就可以對不同品種進(jìn)行相應的置換和改造,得到想要的口味。”
“去年底，我們找到了某個(gè)基因,用它可以培育出高產(chǎn)高抗性淀粉的水稻,適合糖尿病人食用。”李家洋說(shuō)，“在不久的將來(lái)，這個(gè)技術(shù)會(huì )有重大突破，我國1億多位糖尿病患者將因此受益”。
定向設計還將為米飯在“主食”之外增加“營(yíng)養品”的身份。未來(lái)，彩色米、富含特定營(yíng)養元素的“功能水稻”也將走出實(shí)驗室，擺上百姓餐桌，創(chuàng )造并引領(lǐng)人們對水稻的顏色、形狀、品質(zhì)、營(yíng)養等方面的個(gè)性化需求，提高人們健康水平。
在長(cháng)年累月的研究中，我國科學(xué)家已經(jīng)確認水稻大量農藝性狀的功能基因及其調控網(wǎng)絡(luò )。有統計顯示，近5年來(lái)，《細胞》《自然》《科學(xué)》等國際頂級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的水稻基因文章，有40%來(lái)自于中國科學(xué)家，反映了我國在水稻基因組學(xué)領(lǐng)域的大幅進(jìn)步。
在我國唯一專(zhuān)門(mén)從事農業(yè)基因組學(xué)研究的國家級研究所——中國農業(yè)科學(xué)院深圳農業(yè)基因組研究所，多個(gè)研究團隊在植株分蘗數調控網(wǎng)絡(luò )、二代基因組測序的重要算法等項目取得多項國際領(lǐng)先成果。這個(gè)研究所配備了一個(gè)高性能計算中心作為硬件支撐——可同時(shí)組裝10個(gè)農業(yè)大基因組，同時(shí)運行500個(gè)重測序計算，存儲5000套基因組數據，實(shí)現超大規模農業(yè)生物信息學(xué)計算。
不過(guò)，從實(shí)驗室研究成果到商業(yè)化產(chǎn)品，需要經(jīng)過(guò)中間試驗、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗、安全證書(shū)申請等環(huán)節，這一過(guò)程至少需要10年以上。
在國際上，已有公司超前性地引入人工智能技術(shù)，為“未來(lái)水稻”產(chǎn)品研發(fā)加速。美國Atomwise公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)能夠通過(guò)強大的深度學(xué)習算法和超級計算機，在數百萬(wàn)個(gè)潛在目標中分析、預測并找出可能會(huì )對病蟲(chóng)害控制產(chǎn)生積極影響的分子。該技術(shù)還通過(guò)識別分子間相互作用模式進(jìn)行深度自我學(xué)習，提高預測準確度。
高新科技對整個(gè)農業(yè)產(chǎn)業(yè)的顛覆式改造將指日可待。農民將通過(guò)移動(dòng)設備指揮傳感器、機器人、衛星和航空成像等設備，通過(guò)大數據分析及人工智能開(kāi)發(fā)出最新技術(shù)耕地種田；一線(xiàn)大都市將工業(yè)化、大規模地推進(jìn)立體農業(yè)，使城市空間成為未來(lái)食物的主要來(lái)源地之一；農業(yè)與餐飲、休閑、科研、教育等領(lǐng)域跨界融合的新業(yè)態(tài)將愈發(fā)豐富，農民將通過(guò)提升服務(wù)獲得超額回報，農業(yè)生產(chǎn)和消費者之間的信息隔閡將逐步消除……
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